電磁場:帶電物體産生的物理場-中文百科頻道

定義

電磁場是有内在聯系、相互依存的電場和磁場的統一體的總稱。随時間變化的電場産生磁場，随時間變化的磁場産生電場，兩者互為因果，形成電磁場。電磁場可由變速運動的帶電粒子引起，也可由強弱變化的電流引起，不論原因如何，電磁場總是以光速向四周傳播，形成電磁波。電磁場是電磁作用的媒介，具有能量和動量，是物質的一種存在形式。電磁場的性質、特征及其運動變化規律由麥克斯韋方程組确定。

随時間變化着的電磁場（ electromagneticfield)。時變電磁場與靜态的電場和磁場有顯著的差别，出現一些由于時變而産生的效應。這些效應有重要的應用，并推動了電工技術的發展。

電磁波是電磁場的一種運動形态。然而，在高頻率的電振蕩中，磁電互變甚快，能量不可能全部返回原振蕩電路，于是電能、磁能随着電場與磁場的周期轉化以電磁波的形式向空間傳播出去。電磁波為橫波，電磁波的磁場、電場及其行進方向三者互相垂直。電磁波的傳播有沿地面傳播的地面波，還有從空中傳播的空中波。波長越長的地面波，其衰減也越少。電磁波的波長越長也越容易繞過障礙物繼續傳播。中波或短波等空中波則是靠圍繞地球的電離層與地面的反複反射而傳播的（電離層在離地面50～400公裡之間）。振幅沿傳播方向的垂直方向作周期性變化，其強度與距離的平方成反比，波本身帶有能量，任何位置之能量、功率與振幅的平方成正比，其速度等于光速（每秒30萬公裡）。光波也是電磁波，無線電波也有和光波同樣的特性，如當它通過不同介質時，也會發生折射、反射、繞射、散射及吸收等。在空間傳播的電磁波，距離最近的電場（磁場）強度方向相同、且量值最大的兩點之間的距離，就是電磁波的波長λ。電磁波的頻率γ即電振蕩電流的頻率，無線電廣播中用的單位是千赫，速度是c。根據λγ=c，求出λ=c/γ。

電可以生成磁，磁也能帶來電，變化的電場和變化的磁場構成了一個不可分離的統一的場，這就是電磁場，而變化的電磁場在空間的傳播即形成了電磁波，所以電磁波也常稱為電波。1864年，英國科學家麥克斯韋在總結前人研究電磁現象取得的成果的基礎上，建立了完整的電磁波理論。他斷定電磁波的存在，推導出電磁波與光具有同樣的傳播速度。

1887年德國物理學家赫茲用實驗證實了電磁波的存在。之後，人們又進行了許多實驗，不僅證明光是一種電磁波，而且發現了更多形式的電磁波，它們的本質完全相同，隻是波長和頻率有很大的差别。按照波長或頻率的順序把這些電磁波排列起來，就是電磁波譜。如果把每個波段的頻率由低至高依次排列的話，它們是工頻電磁波、無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線及r射線。

發展曆史

人們很早就接觸到電和磁的現象，并知道磁棒有南北兩極。在18世紀，發現電荷有兩種：正電荷和負電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連接線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點上和萬有引力很相似。18世紀末發現電荷能夠流動，這就是電流。但長期以來，人們隻是發現了電和磁的現象，并沒有發現電和磁之間的聯系。

19世紀前期，奧斯特發現電流可以使小磁針偏轉。而後安培發現作用力的方向和電流的方向互相垂直，磁針到通過電流的導線的垂直線方向與電流方向相互垂直。不久之後，法拉第又發現，當磁棒插入導線圈時，導線圈中就産生電流。這些實驗表明，在電和磁之間存在着密切的聯系。在電和磁之間的聯系被發現以後，人們認識到電磁力的性質在一些方面同萬有引力相似，另一些方面卻又有差别。為此法拉第引進了力線的概念，認為電流産生圍繞着導線的磁力線，電荷向各個方向産生電力線，并在此基礎上産生了電磁場的概念。

人們認識到，電磁場是物質存在的一種特殊形式。電荷在其周圍産生電場，這個電場又以力作用于其他電荷。磁體和電流在其周圍産生磁場，而這個磁場又以力作用于其他磁體和内部有電流的物體。電磁場也具有能量和動量，是傳遞電磁力的媒介，它彌漫于整個空間。

19世紀下半葉，麥克斯韋總結了宏觀電磁現象的規律，并引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化着的電場能産生磁場；變化着的磁場也能産生電場。在此基礎上他提出了一組偏微分方程來表達電磁現象的基本規律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，是經典電磁學的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預言了電磁波的存在，其傳播速度等于光速，這一預言後來為赫茲的實驗所證實。于是人們認識到麥克斯韋的電磁理論正确地反映了宏觀電磁現象的規律，肯定了光也是一種電磁波。由于電磁場能夠以力作用于帶電粒子，一個運動中的帶電粒子既受到電場的力，也受到磁場的力，洛倫茲把運動電荷所受到的電磁場的作用力歸結為一個公式，人們就稱這個力為洛倫茨力。描述電磁場基本規律的麥克斯韋方程組和洛倫茨力就構成了經典電動力學的基礎。

在奧斯特電流磁效應實驗及其他一系列實驗的啟發下，安培認識到磁現象的本質是電流，把涉及電流、磁體的各種相互作用歸結為電流之間的相互作用，提出了尋找電流元相互作用規律的基本問題。為了克服孤立電流元無法直接測量的困難，安培精心設計了4個示零實驗并伴以缜密的理論分析，得出了結果。但由于安培對電磁作用持超距作用觀念，曾在理論分析中強加了兩電流元之間作用力沿連線的假設，期望遵守牛頓第三定律，使結論有誤。上述公式是抛棄錯誤的作用力沿連線的假設，經修正後的結果。應按近距作用觀點理解為，電流元産生磁場，磁場對其中的另一電流元施以作用力。

電流磁場

【目的和要求】

通過直線電流的磁場和通電螺線管的磁場的實驗，認識帶電導體周圍存在着磁場，并進一步認識和檢驗安培右手螺旋定則。

【儀器和器材】

專用電源（低電壓、短時間大電流），粗銅線（φ3×30毫米）小磁針（J2406型，一組10個），硬紙闆（20厘米×20厘米），方座支架（J1 102型），鉛筆，帶硬紙闆（15厘米×20厘米）的螺線管，導線2根，細鐵粉。

【實驗方法】

一、直線電流的磁場

1．将30毫米長的粗鋼線穿過20厘米見方的硬紙闆的中心。

2．将粗銅線沿豎直位置固定好（例如用一個小支架固定硬紙闆，或用方座支架夾持住硬紙闆）。粗銅線的兩端另外用導線連接到專用電源的輸出端上，然後在紙闆上均勻撒一層細鐵粉。

3．接通專用電源的開關，并同時用一支鉛筆輕敲紙闆，使上面的鐵粉沿磁力線排列。（專用電源的短時間電流輸出達三、四十安培以上，然後會在預定的時刻自動斷開。）

4．用白紙畫出所見圖形的簡圖。然後在紙闆上沿同心圓的4個不同方位各放1個小磁針。再次接通專用電源，按小磁針北極所指的方向在同心圓上标出磁力線的方向。

5．檢查導線中的電流方向和磁力線方向是否符合右手螺旋定則

6．改變電流的方向重做一遍上述實驗，再畫一張磁力線簡圖，與上圖相比較，并檢驗右手螺旋定則。

二、通電螺線管的磁場

1．将帶硬紙闆的螺線管的兩端接到專用電源的輸出端上，按通電源，同時輕敲均勻地撒好了鐵粉的硬紙闆，使上面的鐵粉沿磁力線排列

2．畫出表明螺線管内和兩端外鐵粉排列形狀的簡圖。

3．在螺線管内和兩端外不同地方放幾個小磁針，再次接通專用電源，按小磁針北極所指的方向，在簡圖上标出磁力線的方向，并注明電流的方向看看是否符合右手螺旋定則

線圈指南針

在鉛筆上用牛皮紙纏兩層，然後再用漆包線在紙上順次密繞60－70圈，把線頭固定好後，把線圈連同紙筒一起從鉛筆上取下，這樣便得到了一個螺旋線圈。

另取銅片、鋅片各l小塊，泡沫塑料一塊，将線圈置于泡沫塑料上，線圈的兩頭分别與銅片、鋅片連接。然後，把這一裝置放入盛有鹽水（或醋）的杯中，讓它浮在液面上，并使鋅片、銅片浸入在溶液中。這時你可以看到線圈管的軸線總是指着南北方向。不管你怎樣改變它的指向，它都會恢複南北指向的位置，猶如一架指南針。

這是由于插在鹽水中的鋼片、鋅片形成化學原電池，原電池産生的電流流過螺旋線圈會産生磁場，使螺旋線圈兩端顯示不同的磁極，所以線圈就會像指南針一樣指示方向了。

電磁波

簡介

電磁場由近及遠的擾動的傳播形成電磁波，随時間變化着的電磁場。時變電磁場與靜态的電場和磁場有顯著的差别，出現一些由于時變而産生的效應。這些效應有重要的應用，并推動了電工技術的發展。

電磁感應

因磁通量變化産生感應電動勢的現象：閉合電路的一部分導體在磁場裡做切割磁力線的運動時，導體中就會産生電流，這種現象叫電磁感應定律 [1] 。

1820年H.C.奧斯特發現電流磁效應後，許多物理學家便試圖尋找它的逆效應，提出了磁能否産生電，磁能否對電作用的問題，1822年D.F.J.阿喇戈和A.von洪堡在測量地磁強度時，偶然發現金屬對附近磁針的振蕩有阻尼作用。1824年，阿喇戈根據這個現象做了銅盤實驗，發現轉動的銅盤會帶動上方自由懸挂的磁針旋轉，但磁針的旋轉與銅盤不同步，稍滞後。電磁阻尼和電磁驅動是最早發現的電磁感應現象，但由于沒有直接表現為感應電流，當時未能予以說明 [1] 。

感應電流産生的條件

① 電路是閉合且通着的；

②穿過閉合電路的磁通量發生變化；(如果缺少一個條件,就不會有感應電流産生) [1] .

M.法拉第提出的電磁感應定律表明，磁場的變化要産生電場。這個電場與來源于庫侖定律的電場不同，它可以推動電流在閉合導體回路中流動，即其環路積分可以不為零，成為感應電動勢。現代大量應用的電力設備和發電機、變壓器等都與電磁感應作用有緊密聯系。由于這個作用。時變場中的大塊導體内将産生渦流及趨膚效應。電工中感應加熱、表面淬火、電磁屏蔽等，都是這些現象的直接應用。

磁感應現象是電磁學中最重大的發現之一，它揭示了電、磁現象之間的相互聯系。法拉第電磁感應定律的重要意義在于，一方面，依據電磁感應的原理，人們制造出了發電機，電能的大規模生産和遠距離輸送成為可能；另一方面，電磁感應現象在電工技術、電子技術以及電磁測量等方面都有廣泛的應用 [1] 。

研究過程

（一）電磁感應定律

繼法拉第電磁感應定律之後，J.C.麥克斯韋提出了位移電流概念。電位移來源于電介質中的帶電粒子在電場中受到電場力的作用。這些帶電粒子雖然不能自由流動，但要發生原子尺度上的微小位移。麥克斯韋将這個名詞推廣到真空中的電場，并且認為；電位移随時間變化也要産生磁場，因而稱一面積上電通量的時間變化率為位移電流，而電位移矢量D的時間導數（即дD/дt）為位移電流密度。它在安培環路定律中，除傳導電流之外補充了位移電流的作用，從而總結出完整的電磁方程組，即著名的麥克斯韋方程組，描述了電磁場的分布變化規律。

（二）麥克斯韋方程

電磁輻射麥克斯韋方程表明，不僅磁場的變化要産生電場，而且電場的變化也要産生磁場。時變場在這種相互作用下，産生電磁輻射，即為電磁波。這種電磁波從場源處以光速向周圍傳播，在空間各處按照距場源的遠近有相應的時間滞後現象。電磁波還有一個重要特點，它的場矢量中有與場源至觀察點間的距離成反比的分量。這些分量在空間傳播時的衰減遠較恒定場為小。按照坡印廷定理，電磁波在傳播中攜有能量，可以作為信息的載體。這就為無線電通信、廣播、電視、遙感等技術開闊了道路。似穩電磁場時變場中不同于靜态場的上述一些現象，其顯著程度都與頻率的高低及設備的尺寸緊密相關。按照實際需要，在容許的近似範圍内，對時變場的部分過程可以當作恒定場處理，稱之為似穩電磁場或準靜态場。這種方法使分析工作大為簡化，在電工技術中是行之有效的方法，已為人們所廣泛采用。

（三）交變電磁場與瞬變電磁場

時變電磁場還可以進一步分為周期變化的交變電磁場及非周期性變化的瞬變電磁場。對它們的研究在目的上和方法上有一些各自的特點。交變電磁場在單一頻率的正弦式變化下，可采用複數表示以化簡計算，在電力技術及連續波分析中應用甚多。瞬變電磁場又稱脈沖電磁場，覆蓋的頻率很寬，介質或傳輸系統呈現出色散特性，往往需要采取頻域、或時序展開等方法進行分析。

電與磁

從科學的角度來說，電磁波是能量的一種，凡是能夠釋出能量的物體，都會釋出電磁波。

電與磁可說是一體兩面，變動的電會産生磁，變動的磁則會産生電。電磁的變動就如同微風輕拂水面産生水波一般，因此被稱為電磁波，而其每秒鐘變動的次數便是頻率。當電磁波頻率低時，主要藉由有形的導電體才能傳遞；當頻率漸提高時，電磁波就會外溢到導體之外，不需要介質也能向外傳遞能量，這就是一種輻射。舉例來說，太陽與地球之間的距離非常遙遠，但在戶外時，我們仍然能感受到和煦陽光的光與熱，這就好比是「電磁輻射藉由輻射現象傳遞能量」的原理一樣。

分類

電磁輻射是傳遞能量的一種方式，輻射種類可分為三種：

遊離輻射

有熱效應的非遊離輻射

無熱效應的非遊離輻射

基地台電磁波絕非遊離輻射波

正像人們一直生活在空氣中而眼睛卻看不見空氣一樣，人們也看不見無處不在的電磁波。電磁波就是這樣一位人類素未謀面的“朋友”，電磁波是電磁場的一種運動形态。

在高頻電磁振蕩的情況下，部分能量以輻射方式向周圍空間傳播開去所形成的電波與磁波的總稱叫做電磁波。在低頻的電磁振蕩中，電、磁之間的相互變化比較緩慢，其能量幾乎全部返回原電路而沒有能量輻射出去。電磁波的速度等于光速（每秒3×10 ^10厘米）。

波長在 10～3000米之間，分長波、中波、中短波、短波等幾種。傳真（電視）用的波長是3～6米；雷達用的波長更短，3米到幾厘米。電磁波有紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線等。各種光線和射線，也都是波長不同的電磁波。其中以無線電的波長最長，宇宙射線的波長最短。

無線電波3000米～0.3毫米。

紅外線 0.3毫米～0.75微米。

可見光0.7微米～0.4微米。

紫外線 0.4微米～10毫微米

X射線10毫微米～0.1毫微米

γ射線 0.1毫微米～0.001毫微米

宇宙射線小于0.001毫微米

電磁輻射

廣義的電磁輻射通常是指電磁波頻譜而言。狹義的電磁輻射是指電器設備所産生的輻射波，通常是指紅外線以下部分。

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